Το σύνολο των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων μπορεί να χωριστεί σε δύο ευρείες κατηγορίες, η μία είναι τα ενεργά συστατικά και η άλλη ως παθητικά εξαρτήματα. Τα παθητικά στοιχεία περιλαμβάνουν την αντίσταση (R), τον πυκνωτή (C) και τον επαγωγέα (L). Αυτά είναι τα τρία πιο χρησιμοποιημένα εξαρτήματα στο ηλεκτρονικό κύκλωμα και θα τα βρείτε σχεδόν σε κάθε κύκλωμα εφαρμογής. Αυτά τα τρία συστατικά μαζί σε διαφορετικούς συνδυασμούς θα σχηματίσουν τα κυκλώματα RC, RL και RLC και έχουν πολλές εφαρμογές όπως από κυκλώματα φιλτραρίσματος, πνιγμούς φωτός σωλήνα, πολυσυνδυαστές κλπ. Έτσι, σε αυτό το σεμινάριο θα μάθουμε τα βασικά αυτών των κυκλωμάτων, τη θεωρία πίσω και πώς να τα χρησιμοποιήσετε στα κυκλώματά μας.
Πριν προχωρήσουμε στα κύρια θέματα ας καταλάβουμε τι κάνει ένα R, L και C σε ένα κύκλωμα.
Αντίσταση: Οι αντιστάσεις συμβολίζονται με το γράμμα "R". Η αντίσταση είναι ένα στοιχείο που διαλύει την ενέργεια κυρίως σε μορφή θερμότητας. Θα έχει μια πτώση τάσης απέναντί της που παραμένει σταθερή για μια σταθερή τιμή του ρεύματος που ρέει μέσα από αυτό.
Πυκνωτής: Οι πυκνωτές συμβολίζονται με το γράμμα "C". Ένας πυκνωτής είναι ένα στοιχείο που αποθηκεύει ενέργεια (προσωρινά) σε μορφή ηλεκτρικού πεδίου. Ο πυκνωτής αντιστέκεται στις αλλαγές τάσης. Υπάρχουν πολλοί τύποι πυκνωτών, από τους οποίους χρησιμοποιούνται κυρίως οι κεραμικοί πυκνωτές και οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Φορτίζουν σε μία κατεύθυνση και εκφορτώνουν σε αντίθετη κατεύθυνση
Επαγωγέας: Οι επαγωγείς συμβολίζονται με το γράμμα "L". Ένας επαγωγέας είναι επίσης παρόμοιος με τον πυκνωτή, αποθηκεύει επίσης ενέργεια αλλά αποθηκεύεται σε μορφή μαγνητικού πεδίου. Οι επαγωγείς αντιστέκονται στις αλλαγές ρεύματος. Οι επαγωγείς είναι συνήθως ένα πηνίο τυλιγμένο σύρμα και σπάνια χρησιμοποιείται σε σύγκριση με τα δύο προηγούμενα εξαρτήματα.
Όταν αυτές οι αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς συγκεντρώνονται, μπορούμε να σχηματίσουμε κυκλώματα όπως κύκλωμα RC, RL και RLC που εμφανίζουν αποκρίσεις εξαρτώμενες από το χρόνο και τη συχνότητα που θα είναι χρήσιμες σε πολλές εφαρμογές AC όπως αναφέρθηκε ήδη. Ένα κύκλωμα RC / RL / RLC μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο, ταλαντωτής και πολύ περισσότερο δεν είναι δυνατόν να καλυφθεί κάθε πτυχή σε αυτό το σεμινάριο, οπότε θα μάθουμε τη βασική συμπεριφορά τους σε αυτό το σεμινάριο.
Βασική αρχή των κυκλωμάτων RC / RL και RLC:
Πριν ξεκινήσουμε με κάθε θέμα ας καταλάβουμε πώς συμπεριφέρεται ένας αντιστάτης, ένας πυκνωτής και ένας επαγωγέας σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Για λόγους κατανόησης ας εξετάσουμε ένα απλό κύκλωμα που αποτελείται από έναν πυκνωτή και μια αντίσταση σε σειρά με τροφοδοτικό (5V). Σε αυτήν την περίπτωση, όταν το τροφοδοτικό είναι συνδεδεμένο στο ζεύγος RC, η τάση κατά μήκος της αντίστασης (Vr) αυξάνεται στη μέγιστη τιμή της, ενώ η τάση στον πυκνωτή (Vc) παραμένει στο μηδέν, και αργά ο πυκνωτής αρχίζει να χτίζει φόρτιση και έτσι η τάση απέναντι στην αντίσταση θα μειωθεί και η τάση στον πυκνωτή θα αυξηθεί έως ότου η τάση αντίστασης (Vr) φθάσει στο μηδέν και η τάση πυκνωτή (Vc) φτάσει τη μέγιστη τιμή της. Το κύκλωμα και η μορφή κυμάτων φαίνονται στο GIF παρακάτω
Ας αναλύσουμε τη μορφή κύματος στην παραπάνω εικόνα για να καταλάβουμε τι συμβαίνει πραγματικά στο κύκλωμα. Μια καλά απεικονιζόμενη κυματομορφή εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα.
Όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος, η τάση κατά μήκος της αντίστασης (κόκκινο κύμα) φτάνει στο μέγιστο και η τάση απέναντι στον πυκνωτή (μπλε κύμα) παραμένει στο μηδέν. Στη συνέχεια ο πυκνωτής φορτίζεται και το Vr γίνεται μηδέν και το Vc γίνεται μέγιστο. Ομοίως, όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος, ο πυκνωτής εκφορτώνει και ως εκ τούτου η αρνητική τάση εμφανίζεται κατά μήκος της αντίστασης και καθώς ο πυκνωτής εκφορτίζει τόσο τον πυκνωτή όσο και την αντίσταση, η τάση γίνεται μηδέν όπως φαίνεται παραπάνω.
Το ίδιο μπορεί να απεικονιστεί και για επαγωγείς. Αντικαταστήστε τον πυκνωτή με έναν επαγωγέα και η κυματομορφή θα αντικατοπτριστεί ακριβώς, δηλαδή η τάση κατά μήκος της αντίστασης (Vr) θα είναι μηδενική όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος αφού ολόκληρη η τάση θα εμφανιστεί κατά μήκος του επαγωγέα (Vl). Καθώς ο επαγωγέας φορτίζει την τάση κατά μήκος (Vl) θα φτάσει στο μηδέν και η τάση κατά μήκος της αντίστασης (Vr) θα φθάσει στη μέγιστη τάση.
Κύκλωμα RC:
Το κύκλωμα RC (Resistor Capacitor Circuit) θα αποτελείται από έναν πυκνωτή και έναν αντιστάτη συνδεδεμένους είτε σε σειρά είτε παράλληλα με μια πηγή τάσης ή ρεύματος. Αυτοί οι τύποι κυκλωμάτων καλούνται επίσης ως φίλτρα RC ή δίκτυα RC, καθώς χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές φιλτραρίσματος. Ένα κύκλωμα RC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ορισμένων ακατέργαστων φίλτρων όπως φίλτρα χαμηλής διέλευσης, υψηλής διέλευσης και ζώνης διέλευσης. Ένα κύκλωμα RC πρώτης τάξης θα αποτελείται από μόνο έναν αντιστάτη και έναν πυκνωτή και θα αναλύσουμε το ίδιο σε αυτό το σεμινάριο
Για να κατανοήσουμε το κύκλωμα RC ας δημιουργήσουμε ένα Βασικό κύκλωμα σε πρωτεΐνη και να συνδέσουμε το φορτίο σε όλο το εύρος για να αναλύσουμε πώς συμπεριφέρεται. Το κύκλωμα μαζί με την κυματομορφή δίνεται παρακάτω
Έχουμε συνδέσει ένα φορτίο (λαμπτήρα) γνωστής αντίστασης 1k Ohms σε σειρά με έναν πυκνωτή 470uF για να σχηματίσουμε ένα κύκλωμα RC. Το κύκλωμα τροφοδοτείται από μια μπαταρία 12V και ένας διακόπτης χρησιμοποιείται για το κλείσιμο και το άνοιγμα του κυκλώματος. Η κυματομορφή μετράται κατά μήκος του λαμπτήρα φόρτωσης και εμφανίζεται με κίτρινο χρώμα στην παραπάνω εικόνα.
Αρχικά όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, εμφανίζεται η μέγιστη τάση (12V) στο φορτίο αντίστασης λαμπτήρα (Vr) και η τάση στον πυκνωτή θα είναι μηδενική. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η τάση κατά μήκος της αντίστασης θα πέσει στο μηδέν και στη συνέχεια, καθώς ο πυκνωτής φορτίζει, η τάση θα φτάσει στο μέγιστο όπως φαίνεται στο γράφημα.
Ο χρόνος που απαιτείται για τη φόρτιση του πυκνωτή δίνεται από τους τύπους T = 5Ƭ, όπου το "Ƭ" αντιπροσωπεύει tou (σταθερά χρόνου).
Ας υπολογίσουμε το χρόνο που απαιτείται για να φορτιστεί ο πυκνωτής μας στο κύκλωμα.
RC = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 δευτερόλεπτα T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 δευτερόλεπτα.
Υπολογίσαμε ότι ο χρόνος που απαιτείται για τη φόρτιση του πυκνωτή θα είναι 2,35 δευτερόλεπτα, το ίδιο μπορεί επίσης να επαληθευτεί από το παραπάνω γράφημα. Ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει το Vr από 0V έως 12V είναι ίσος με το χρόνο που απαιτείται για τη φόρτιση του πυκνωτή από 0V έως τη μέγιστη τάση. Το γράφημα απεικονίζεται χρησιμοποιώντας τους δρομείς στην παρακάτω εικόνα.
Παρομοίως, μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε την τάση στον πυκνωτή ανά πάσα στιγμή και το ρεύμα μέσω του πυκνωτή ανά πάσα στιγμή χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Όπου, V B είναι η τάση της μπαταρίας και I o είναι το ρεύμα εξόδου του κυκλώματος. Η τιμή του t είναι ο χρόνος (σε δευτερόλεπτα) κατά τον οποίο πρέπει να υπολογιστεί η τιμή τάσης ή ρεύματος του πυκνωτή.
Κύκλωμα RL:
Το RL Circuit (Resistor Inductor Circuit) θα αποτελείται από έναν επαγωγέα και έναν αντιστάτη και πάλι συνδεδεμένους είτε σε σειρά είτε παράλληλα. Ένα κύκλωμα σειράς RL οδηγείται από πηγή τάσης και ένα παράλληλο κύκλωμα RL οδηγείται από πηγή ρεύματος. Το κύκλωμα RL χρησιμοποιείται συνήθως ως παθητικά φίλτρα, ένα κύκλωμα RL πρώτης τάξης με μόνο έναν επαγωγέα και έναν πυκνωτή φαίνεται παρακάτω
Ομοίως σε ένα κύκλωμα RL πρέπει να αντικαταστήσουμε τον πυκνωτή με έναν επαγωγέα. Ο λαμπτήρας θεωρείται ότι λειτουργεί ως καθαρό φορτίο αντίστασης και η αντίσταση του λαμπτήρα έχει οριστεί σε γνωστή τιμή 100 ohms.
Όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, η τάση στο φορτίο αντίστασης θα είναι μέγιστη και όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η τάση από την μπαταρία μοιράζεται μεταξύ του επαγωγέα και του φορτίου αντίστασης. Ο επαγωγέας φορτίζει γρήγορα και ως εκ τούτου μια ξαφνική πτώση τάσης θα αντιμετωπιστεί από το φορτίο αντίστασης R.
Ο χρόνος που απαιτείται για τη φόρτιση του επαγωγέα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο T = 5Ƭ, όπου το "Ƭ" αντιπροσωπεύει tou (σταθερά χρόνου).
Ας υπολογίσουμε τον χρόνο που απαιτείται για την φόρτιση του πηνίου μας στο κύκλωμα. Εδώ χρησιμοποιήσαμε έναν επαγωγέα της τιμής 1mH και την αντίσταση της τιμής 100 Ohms
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 δευτερόλεπτα T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u δευτερόλεπτα.
Παρομοίως, μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε την τάση κατά μήκος του επαγωγέα ανά πάσα στιγμή και το ρεύμα μέσω του επαγωγέα ανά πάσα στιγμή χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Όπου, V B είναι η τάση της μπαταρίας και I o είναι το ρεύμα εξόδου του κυκλώματος. Η τιμή του t είναι ο χρόνος (σε δευτερόλεπτα) κατά τον οποίο πρέπει να υπολογιστεί η τάση ή η τρέχουσα τιμή του επαγωγέα.
Κύκλωμα RLC:
Ένα κύκλωμα RLC όπως υποδηλώνει το όνομα θα αποτελείται από έναν αντιστάτη, έναν πυκνωτή και έναν επαγωγέα συνδεδεμένο σε σειρά ή παράλληλα. Το κύκλωμα σχηματίζει κύκλωμα ταλαντωτή που χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε ραδιοφωνικούς δέκτες και τηλεοράσεις. Χρησιμοποιείται επίσης πολύ συχνά ως κυκλώματα αποσβεστήρα σε αναλογικές εφαρμογές. Η ιδιότητα συντονισμού ενός κυκλώματος RLC πρώτης τάξης συζητείται παρακάτω
Το κύκλωμα RLC ονομάζεται επίσης κύκλωμα συντονισμού σειράς, κύκλωμα ταλάντωσης ή συντονισμένο κύκλωμα. Αυτά τα κυκλώματα έχουν την ικανότητα να παρέχουν ένα συντονιστικό σήμα συχνότητας όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα
Εδώ έχουμε έναν πυκνωτή C1 100u και έναν επαγωγικό L1 10mH συνδεδεμένο κασσίτερο σειρά μέσω ενός διακόπτη. Δεδομένου ότι το καλώδιο που συνδέει τα C και L θα έχει κάποια εσωτερική αντίσταση, θεωρείται ότι υπάρχει μικρή ποσότητα αντίστασης λόγω του καλωδίου.
Αρχικά, διατηρούμε το διακόπτη 2 ως ανοιχτό και κλείνουμε το διακόπτη 1 για να φορτίσουμε τον πυκνωτή από την πηγή μπαταρίας (9V). Στη συνέχεια, όταν ο πυκνωτής φορτιστεί, ο διακόπτης 1 ανοίγει και μετά ο διακόπτης 2 κλείνει.
Μόλις κλείσει ο διακόπτης, το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στον πυκνωτή θα κινηθεί προς τον επαγωγέα και θα το φορτίσει. Μόλις ο πυκνωτής αποφορτιστεί πλήρως, ο επαγωγέας θα αρχίσει να εκφορτώνεται ξανά στον πυκνωτή με αυτόν τον τρόπο οι φορτίσεις θα ρέουν προς τα πίσω μεταξύ του επαγωγέα και του πυκνωτή. Αλλά επειδή θα υπάρξει κάποια απώλεια χρεώσεων κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η συνολική φόρτιση θα μειωθεί σταδιακά μέχρι να φτάσει στο μηδέν όπως φαίνεται στο παραπάνω γράφημα.
Εφαρμογές:
Οι αντιστάσεις, οι επαγωγείς και οι πυκνωτές μπορεί να είναι φυσιολογικά και απλά συστατικά, αλλά όταν συνδυάζονται για να σχηματίσουν κυκλώματα όπως το κύκλωμα RC / RL και RLC, παρουσιάζουν πολύπλοκη συμπεριφορά που το καθιστά κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Λίγα από αυτά αναφέρονται παρακάτω
- Συστήματα επικοινωνίας
- Επεξεργασία σήματος
- Τάση / Τρέχουσα μεγέθυνση
- Πομποί ραδιοκυμάτων
- Ενισχυτές RF
- Κύκλωμα συντονισμού LC
- Κυκλώματα μεταβλητών συντονισμών
- Κυκλώματα ταλαντωτών
- Κυκλώματα φιλτραρίσματος